Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы Теории и практики радиосвязи» Специальность 080502 Экономика и управление на предприятии
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «организация производства на предприятиях, 1298.86kb.
- Учебно-методический комплекс Для специальности 080502 Экономика и управление на предприятии, 1031.78kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 851.37kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 425.13kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 507.84kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 970.84kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 437.92kb.
- Планирование на предприятии учебно-методический комплекс, 871.22kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 324.86kb.
- Карпенко Елена Зугумовна к э. н., доцент должность профессор учебно-методический комплекс, 548.9kb.
Для согласования работы всех устройств сотовой связи существует несколько интерфейсов. Важнейшим из них является интерфейс обмена информацией между подвижной станцией и базовыми станциями. Он называется эфирным интерфейсом.
Рассмотрим структуру эфирного интерфейса в стандарте GSM, наиболее всего распространенного в России.
Передача выполняется кадрами по 4,615 мс. Каждый кадр состоит из восьми слотов по 577 мкс, и каждый слот соответствует одному каналу речи. Информационный кадр может быть кадром канала трафика или кадром канала управления. Длительность слота канала трафика соответствует 156,25 битам, из которых 148 бит составляют информационный пакет, а 8,25 бит - защитный интервал.
Слоты канала управления имеют такую же длину и применяются для коррекции частоты, синхронизации и организации доступа.
Частотные, физические и логические каналы.
Частотный канал – это полоса частот, выделяемая для передачи информации одного канала связи. Для передачи информации прямого и обратного каналов отводятся разные частоты. Диапазоны частот для некоторых систем сотовой связи приведены на Рис.47.
Рис.47
Например, в стандарте GSM 900 для передачи информации прямого канала отводится полоса 935…960 Мгц, а обратного – 890…915 Мгц, при этом дуплексный разнос частот составляет 45 Мгц. Один частотный канал занимает полосу 200 Кгц, в полном диапазоне с учетом защитных полос размещается 124 частотных канала.
Физический канал на основе временного разделения (TDMA) – это временной слот с определенным номером, В системе GSM 900 в одном частотном канале передается информация 8 физических каналов.
Логические каналы отличаются по виду информации, передаваемой в физическом канале. Логический канал может быть каналом трафика или каналом управления.
Канал трафика обеспечивает передачу информации. Каналы управления в системе GSM 900 делятся на четыре типа:
- вещательные каналы управления;
- общие каналы управления;
- выделенные закрепленные каналы управления;
- совмещенные каналы управления.
Вещательные каналы управления служат для подстройки частоты подвижной станции под частоту базовой станции и для синхронизации.
Общие каналы управления используются для организации вызова абонента и для разрешения доступа.
Выделенные каналы управления предназначены для передачи служебной информации от базовой станции до подвижной станции и обратно.
Совмещенные каналы управления используются частично для передачи трафика.
Тема 23. Аутентификация и установление связи.
Перед установлением связи абонентов проводится процедура аутентификации.
Аутентификация – процедура подтверждения подлинности (действительности, законности, наличие прав на пользование услугами сотовой связи) абонента системы подвижной связи.
В стандарте GSM 900 процедура аутентификации выполняется при помощи модуля идентификации абонента (Subscriber Identity Module – SIM), называемого SIМ-картой. SIM-карта содержит персональный идентификационный номер абонента (Personal Identification Number – PIN) и зашифрованные ключи доступа в систему сотовой связи.
Установление связи происходит по инициативе владельца сотового телефона или при вызове этого телефона другим абонентом.
Если вызов производится со стороны подвижной станции, абонент набирает номер вызываемого абонента и нажимает кнопку Вызов. Базовая станция выполняет аутентификацию и сообщает центру коммутации о вызове абонента. Центр коммутации, используя данные домашнего регистра, устанавливает связь. В случае, если вызываемый абонент принадлежит другой сотовой сети или городской проводной сети, то центр коммутации использует гостевой регистр или связывается с соответствующей АТС.
Передача обслуживания.
При перемещении подвижной станции из одной зоны в другую обслуживание передается базовой станции той зоны, куда переходит подвижная станция (Рис.48).
Рис.48
Этот процесс называется передачей обслуживания. Он происходит, если подвижная станция пересекает границу зон во время сеанса связи.
Если станция находится в режиме ожидания, то она отслеживает перемещения по сигналам управления и настраивается на более сильный сигнал базовой станции. Приняв решение о передаче обслуживания, и выбрав новую зону, центр коммутации сообщает об этом базовой станции новой зоны, а подвижной станции через старую базовую станцию команды для перестройки частоты.
Роуминг.
Роуминг – это функция предоставления услуг сотовой связи абоненту одного оператора в системе другого оператора. Техническое обслуживание возможно при совпадении систем операторов и наличии соглашения о роуминге.
Абонент, оказавшийся на территории «чужой» системы, инициирует вызов обычным образом. Центр коммутации, убедившись, что в его домашнем регистре абонент не значится, воспринимает его как роумера и заносит в гостевой регистр. После этого он запрашивает в домашнем регистре родной системы сведения об абоненте и сообщает, в какой системе находится абонент. После этого абонент работает как обычно.
Тема 24. Аутентификация и установление связи.
Стандарты сотовой связи очень хорошо задают ее функции. Рассмотрим классификацию функций сотовой связи в стандарте GSM. Функции сотовой связи могут быть основными и дополнительными. Основные функции в свою очередь делятся на функции передачи и телефункции.
Функции передачи обеспечивают следующие услуги:
- асинхронный обмен данными с коммутируемыми сетями со скоростями 300 – 9600 бит/сек;
- синхронный обмен данными с коммутируемыми сетями и с цифровыми с интеграцией услуг (ISDN) со скоростями 300 – 9600 бит/сек;
- асинхронный пакетный обмен данными с сетью передачи данных с пакетной коммутацией со скоростями 300 – 9600 бит/сек;
- синхронный пакетный обмен данными с сетью передачи данных с пакетной коммутацией со скоростями 2400 – 9600 бит/сек.
Телефункции включают в себя услуги:
- передача информации речи и тональной сигнализации в полосе речи;
- передача коротких сообщений (буквенно-цифровых SMS) в сторону подвижного абонента;
- доступ к системе обработки сообщений, например, пейджинговых;
- передача факсимильных сообщений.
Дополнительные функции включают категории:
- идентификация и отображение вызывающего или подключенного номера и ограничение идентификации;
- переадресация вызова на другой номер;
- ожидание вызова и сохранение вызова;
- конференц-связь – одновременный разговор трех и более абонентов;
- закрытая группа пользователей – эта функция позволяет группе пользователей общаться только друг с другом;
- оперативная информация о стоимости оказываемых или оказанных услуг;
- запрет на некоторые функции, например, на входящие международные вызовы или на исходящие вызовы для роумеров;
- предоставление открытой линии связи сеть/пользователь для реализации функций, определяемых оператором.
Сделаем необходимые пояснения. Функция передачи предназначена для передачи информации между интерфейсами пользователя и сетью, при этом совместимость протоколов связи оконечных устройств обеспечивается пользователями этих устройств. Телефункция ориентирована на непосредственную связь между абонентами по готовым протоколам сети связи.
Тема 25. Принципы сверхширокополосной связи.
Сверхширокополосные устройства (UWB) появились в 1990 году. К ним относятся устройства, у которых ширина спектра соизмерима с центральной частотой. На практике к UWB устройствам относят системы со спектральной полосой не менее 1,5Ггц. Рассмотрим суть технологии UWB.
Импульс – моноцикл Гаусса имеет вид (Рис. 49)
Рис.49
Для импульса длительностью 0,5 нс центральная частота равна 2Ггц, а ширина полосы – около 3,2Ггц. Информация кодируется посредством временной позиционно-импульсной модуляции.
Рис.50
Смещение импульса относительно его центрального положения в последовательности вперед задает «0», назад – «1». Время смещения не превышает четверти длительности импульса. Например, (Рис.50) в последовательности импульсов длительностью 0,5 нс с интервалом между импульсами 100 нс импульс, пришедший на 100 пикосекунд (пс) раньше – это 0, на 100 пс позже – это 1. Один информационный бит кодируется последовательностью многих импульсов, например, 200 импульсов на бит.
Разделение каналов производится сдвигом положения каждого импульса на время, пропорциональное текущему значению некоторой псевдослучайной последовательности. При этом время сдвига в несколько раз выше, чем смещение при временной модуляции.
Применяя систему ортогональных кодов для управления временными задержками импульсов, теоретически можно в одной полосе создавать тысячи голосовых каналов связи.
Таким образом, в отличие от технологии множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), системы импульсного радио используют ортогональные псевдослучайные последовательности не для расширения спектра сигнала, а только для сглаживания его спектральной характеристики, формирования отдельных каналов связи и защиты от помех.
CDMA(Code-Division Multiple Access) расшифровывается как множественный доступ с кодовым разделением каналов. Ранее технология CDMA применялась только в военных системах связи из-за высокой стоимости систем.
С развитием микроэлектроники стало возможным создание недорогих портативных систем связи CDMA. Американская компания Qualcomm разработала спецификацию IS-95(cdmaOne). Эта спецификация является основной для развития сотовых сетей третьего поколения 3G.
Различают три вида кодового разделения каналов – расширение спектра методом прямой последовательности (DS), частотных скачков (FH) и временных скачков (TH).
В технологии CDMA-DS каждый бит информационного сигнала заменяется некоторой фиксированной последовательностью импульсов определенной длины – базой сигнала. Ноль и единица могут кодироваться инверсными последовательностями. Для каждого канала задается свой код последовательности. Спектр сигнала расширяется пропорционально длине базы. В приемнике вычисляются корреляционные интегралы входного сигнала и кодовой последовательности определенного канала. В результате принимается тот сигнал, который был расширен посредством заданной кодовой последовательности. Все остальные сигналы воспринимаются как шум.
В 1995 году заработала первая сеть в стандарте IS-95 (CDMAOne). Сети этого стандарта занимают тот же диапазон частот, что и сети GSM.
В сети IS-95 прямой канал содержит 64 логических каналов, которые формируются за счет расширения спектра сигнала последовательностями Уолша. Рассмотрим процесс передачи в прямом канале (Рис.51).
Рис.51
Входной поток (данные, оцифрованный голос) подвергается кодированию, и попадают в повторитель, который может повторять передачу одного блока до 8 раз. После этого данные поступают в блок перемежения, защищающий от групповых ошибок.
Далее поток перемножается с 42 разрядным числом – идентификационным номером мобильной станции. На этом этапе скорость потока возрастает до 19,2 Кsps (1sps – это элемент модулированной последовательности сигналов, соответствующий одному биту).
Прежде чем попасть на модулятор, сигнал дополнительно расширяется псевдослучайной последовательностью с коротким кодом (период равен
) 
и раскладывается на квадратурные составляющие. Таким образом, несущая частота модулируется методом четырехпозиционной фазовой манипуляции – QPSK. Передача ведется пакетами длительностью 20мс.Обратный канал делится на
логических каналов. Каждой мобильной станции присвоен свой логический канал на основе 42-битного идентификационного номера. Передача в обратном канале во многом аналогична передаче в прямом канале.Благодаря широкополосности сигнала уменьшается его мощность. Сильно возрастает помехоустойчивость, а с ней и качество связи. Узкополосные помехи не влияют на широкополосный сигнал.
Раздел 8. Организация транковой связи.
Тема 26. Понятие и архитектура транковой связи.
Транковые системы связи (ТСР) являются развитием обычной полудуплексной радиосвязи и существенным упрощением сотовой связи. Термин «транк» означает метод свободного доступа большого количества абонентов к ограниченному числу каналов (пучку, стволу, или по зарубежной терминологии – транку).
В отличие от других систем связи ТСР имеют следующие признаки:
- экономное использование спектра частот;
- наличие одной или нескольких базовых станций;
- возможность выхода в другие сети, например, в телефонную сеть общего пользования;
- передача данных и телеметрической информации;
- множество сервисных возможностей.
В качестве примера число каналов в ТСР с числом абонентов.
Рис.52
В сравнении с сотовыми системами к преимуществам ТСР можно отнести:
- гибкую систему вызовов – индивидуальный, групповой, вещательный, приоритетный, аварийный и др.;
- гибкую систему нумерации;
- малое время установления соединения;
- наличие режима непосредственной связи между двумя абонентами без участия базовой станции;
- Экономичность – по стоимости оборудования и по эксплуатационным расходам ТСР в несколько раз экономичнее сотовой связи.
На Рис 53 приведены основные сравнительные характеристики систем связи.
Рис.53
Сравнение ТСР с другими системами показывает, что, например, количество абонентов на один канал в ТСР наибольшее.
Архитектура транковых сетей.
Рассмотрим основные элементы архитектуры ТСР на примере стандартной однозоновой транковой системы с частотным разделением каналов (Рис.54).
Рис.54
Базовая станция. Она содержит модули приемопередатчиков, каждый из которых настроен на одну пару частот – приема и передачи. При работе в полудуплексном режиме ТСР требует две частоты, а в дуплексном – четыре.
Коммутатор. Он выполняет соединение подвижных абонентов, а также производит сопряжение ТСР с телефонной сетью общего пользования.
Контроллер. Обеспечивает взаимодействие всех узлов базовой станции. Управляет процессом установления соединения абонентов. Контроллер и коммутатор часто объединяют в одном модуле.
Интерфейс с телефонной сетью. Он обеспечивает согласование сигналов ТСР с портами АТС.
Абонентское оборудование. Оно состоит из носимых, возимых и стационарных радиостанций, а также терминалов передачи данных.
Многозоновая транковая сеть. Многозоновая сеть создается для увеличения зоны обслуживания. При этом вся территория обслуживания разбивается на зоны.
Рассмотрим структуру трехзоновой транковой сети (Рис.55). Управление сетью осуществляет центральный узел (Зона 1), содержащий центральный коммутатор-контроллер, терминал обслуживания и управления (ТОУ), а также интерфейс с АТС. Коммутаторы зон связаны между собой каналами управления и передачи трафика.
Рис.55
Тема 27. Классификация транковых сетей.
Методы передачи речи.
Транковые системы радиосвязи (ТСР) могут быть аналоговыми и цифровыми. В аналоговых ТСР применяется частотная модуляция сигнала. При передаче один канал занимает две полосы по 12,5Кгц. При использовании дуплексной передачи для выхода на АТС необходимо иметь четыре таких полосы, разнесенных по частоте. Использование дуплексных систем резко уменьшает пропускную способность ТСР.
В цифровых системах применяются специальные устройства – вокодеры, преобразующие звуковой сигнал в цифровой поток со скоростью в несколько килобит в секунду. Дуплексная связь в цифровых системах может быть выполнена на одной частоте с поочередной передачей цифровых пакетов между двумя радиостанциями.
В ТСР применяются разнообразные протоколы управления. Наиболее распространены открытые протоколы – Smar Trunk, MPT 1327 и TETRA. На их основе работает большинство систем транковой связи.
Система Smar Trunk.
Одной из недорогих систем транковой связи является система с протоколом управления Smar Trunk, разаботанная в 1992 году фирмой Smar Trunk Sistems, Inc. В настоящее время выпускается второе поколение системы, называемое Smar Trunk 2. Структурная схема базового оборудования представлена на Рис.56.
Рис.56
Основой системы является транковый контроллер, связанный с приемопередатчиком данного радиоканала. В базе контроллера содержатся идентификационные коды абонентов, уровни приоритетов абонентов, разрешение на выход в телефонную сеть т. д.
Установление соединения в системе происходит следующим образом.
- Вызывающая станция захватывает незанятый канал и посылает цифровой пакет, содержащий собственный код, тип вызова, код вызываемого абонента.
- В случае, если вызов адресован радиоабоненту, контроллер посылает в канал передачи пилот-тон определенной частоты и длительности.
- Все свободные станции сканируют каналы, пока не остановятся на канале, где присутствует пилот-тон.
- Контроллер посылает в канал вызывной пакет.
- Вызываемая станция остается на данном канале, остальные возвращаются в режим сканирования.
- По завершении сеанса связи абонентская станция посылает пакет завершения сеанса.
- Контролер посылает свой завершающий пакет, приняв который, обе станции возвращаются к режиму сканирования.
К достоинствам этой системы относится невысокая стоимость абонентских станций. К недостаткам можно отнести невысокий уровень сервиса и продолжительное время установления соединения.
Основные параметры системы Smar Trunk представлены на Рис.57.
Рис.57
Транковые системы протокола МРТ 1327
В основу протокола МРТ 1327 положено несколько принципов.
- Выделенный канал управления, в качестве которого используется один из каналов базовой станции. Остальные каналы предназначены для обмена речевыми сообщениями и для передачи данных.
- Обслуживание с очередями. Если вызов поступает в момент, когда все каналы заняты, он будет поставлен в очередь и обслужен в соответствии с приоритетом абонента.
-Произвольный доступ. В момент запроса на соединение по каналу управления существует опасность столкновения запросов от других станций. Для разрешения конфликтов применяется алгоритм произвольного доступа.
- Роуминг. Протокол предусматривает возможность для абонентских станций информировать центральный контроллер о своем местонахождении.
- Открытость стандарта. Это позволяет различным производителям выпускать совместимое оборудование.
Протокол установления соединения. Между базовой станцией и абонентскими станциями, между контроллерами базовых станций передаются сигналы управления со скоростью 1200 бит\с.
Для установления соединения существует несколько стандартных команд.
Процесс установления соединения представлен на Рис.58
Рис.58
Обмен сигналами между устройствами сети происходит в следующей последовательности.
- Базовая станция посылает в канал сообщение ALH, означающее готовность принимать сообщения от абонентских станций в течение определенного времени.
- Некоторое время базовая станция находится в режиме приема, если за это время никто не ответил, то вызов повторяется.
- Если за время приема базовой станции, какая-либо абонентская станция подает сигнал PQS, то базовая станция выдает сигнал вызова AHY.
- Станция, опознавшая свой адрес в сигнале AHY, выдает сигнал готовности к сеансу связи АСК.
- Базовая станция, получив сигнал АСК, сообщает связываемым станциям номер свободного канала сигналом GTS и устанавливает между ними связь.
Стандарты протокола МРТ 1327 дают возможность получить следующие максимальные значения параметров транковой системы:
1036800 абонентских адресов;
32768 идентификационных кодов;
1024 управляющих каналов транка.
В настоящее время в стандарт протокола МРТ 1327 внесены уточнения
МРТ 1343, МРТ 1347, МРТ 1352, МРТ 1318. Системы стандарта МРТ 1327 широко распространены в Европе. В России наибольшее распространение получила система ACCESSNET фирмы Rohde &Schwartz.
Цифровые транковые системы.
Они имеют ряд преимуществ перед аналоговыми системами.
- Конфиденциальность переговоров. Применение криптостойких алгоритмов скремблирования позволяет обеспечить защиту от прослушивания.
- Эффективное использование радиочастотного спектра.
- Помехоустойчивая ретрансляция сигналов.
- Эффективная передача данных.
Особенности стандарта TETRA.
TETRA (TErrestrial Trunked Radio - наземная транковая связь) - открытый международный стандарт цифровой транковой связи.
В основу стандарта TETRA положены следующие принципы.
- Открытость стандарта. Это позволяет выпускать совместимое оборудование различными производителями.
- Ориентация на обслуживание сетей с высоким трафиком.
- Сочетание методов частотного и временного доступа.
- Наличие режима непосредственной связи между абонентскими станциями, а также возможность абонентской радиостанции выступать в качестве ретранслятора.
- Наличие всех видов вызовов и многообразие сервисных возможностей.
- Мягкий режим перехода из зоны в зону.
- Полноценный роуминг.
- Аутентификация и шифрование.
Архитектура сети TETRA аналогична архитектуре аналоговых сетей. Она состоит из центра коммутации, базовых станций, диспетчерских пультов, центра управления системой и абонентских станций.
Интерфейс стандарта предполагает работу в сетке частот с шагом 25Кгц при размещении четырех речевых каналов в данной полосе. Стандарт регламентирует и дуплексный разнос частот в 10Мгц. Системы TETRA могут использовать диапазоны частот 150…900Мгц.
К недостаткам системы TETRA относится небольшой диаметр зон (5 – 8 км), что ограничивает использование ее в России. Кроме того, стоимость системы в несколько раз выше, чем любой аналоговой транковой системы.
Раздел 9. Системы беспроводного доступа.